Pam Udara Molekul oleh Wolfgang Gaede

Wolfgang Gaede meninggal dunia pada 24 Jun 1945, di Munich. Dengan artikel ini, penulis memperingati ulang tahun ke-80 kematiannya dan, untuk pertama kalinya, menerbitkan gambar yang mendedahkan cara kerja dalaman pam udara molekul oleh pengganti E. Leybold.

Pejabat Paten Imperial [Berlin] – Paten No. 239213 Dr. Wolfgang Gaede di Freiburg im Breisgau – Pam Vakum Berputar – Dipatenkan di Empayar Jerman mulai 3 Januari 1909

Tajuk Paten No. 239213 mungkin tidak kedengaran begitu menakjubkan pada awalnya. Namun, di sebalik nama "Pam Vakum Berputar" terdapat satu pencapaian sebenar dalam teknologi vakum: pam udara molekul.

Dalam spesifikasi paten yang disebutkan di atas, Wolfgang Gaede menulis: "Pam udara molekul hanya menggunakan geseran antara gas yang dipam dan permukaan pepejal yang bergerak pantas untuk mengangkut gas tersebut. Penggunaan 'cecair penutup', seperti merkuri atau minyak, tidak diperlukan." Dalam istilah hari ini, ini bermaksud: pam vakum pemampat kering molekul Wolfgang Gaede adalah pam vakum pemampat kering pertama di dunia.

Rajah 1 [3] menunjukkan, di sebelah kiri, pam udara molekul yang dibina oleh Leybold mengikut paten Gaede, di sini ditunjukkan sedang mengosongkan tiub sinar-X. Secara semula jadi, pam sudu putar dari Leybold digunakan sebagai pam vakum awal.

Dalam tesis habilitasi beliau [1], Wolfgang Gaede memperkenalkan istilah “friksi luaran gas”, menggambarkan interaksi molekul gas dengan permukaan pepejal yang bergerak pantas. Pam udara molekulnya beroperasi berdasarkan prinsip ini. Representasi skematik prinsip operasi pam boleh ditemui dalam Komunikasi Awal mengenai Pam Vakum Tinggi Baru, diterbitkan pada tahun 1912 oleh E. Leybold’s Nachfolger [2].

"Rajah 2" yang termasuk dalam [2] dipaparkan semula dalam artikel ini sebagai Rajah 2. Ia disertai dengan teks asal berikut: "Alur kedalaman b dan lebar a dipotong ke dalam silinder A, yang berputar di sekitar paksi a. Pada jarak h', A dikelilingi oleh rumah silinder B. Di satu sisi, satu sisir lamela C., yang dilampirkan pada perumahan B, menjulur ke dalam alur." [Dalam Rajah 1 (kiri), gas diangkut dari n ke m apabila rotor A berputar mengikut arah jam pada kelajuan tinggi di sekitar paksi a. Kehilangan aliran gas yang tidak diingini berlaku apabila gas mengalir kembali dari m ke n melalui celah antara C dan A. Dalam realisasi teknikal pam ini, celah ini oleh itu tidak boleh lebih daripada beberapa ratusan milimeter lebar.] Untuk mencapai vakum tinggi yang terbaik, gas mesti dimampatkan dengan ketara antara inlet pam (bahagian vakum tinggi) dan outlet (bahagian vakum awal). Ini dicapai melalui prinsip berikut:] "Alur individu disambungkan secara siri, sehingga pembukaan m disambungkan ke n₁, m₁ ke n₂, dan seterusnya. Akibatnya, tekanan gas terus menurun dari hujung rotor ke arah pusat."

Rajah 3 [3] menunjukkan reka bentuk teknikal pam udara molekul Leybold dalam seksyen longitudinal sepanjang paksi rotor a. PerumahanB, yang ditunjukkan dengan garis berpetak dalam Rajah 3, menyokong pemasangan atasK dan dipasang padanya dengan cara "kedap udara". Rotor A, yang dibuat daripada silinder tembaga pepejal, dihubungkan secara tegar kepada paksi a. Alur D telah dikisar ke dalam silinder tembaga, ke mana penyikat lamela C (garisan gelap) memanjang. Selain itu, S menunjukkan saluran masuk pam di sisi vakum tinggi, manakala H menandakan pulley yang digunakan untuk menggerakkan paksi a. Perlu diperhatikan bahawa rahsia sebenar pam terletak di dalam pemasangan atas K. Ia mengandungi sistem kompleks saluran pengedaran gas—yang mana tiada lukisan atau gambar wujud.

Untuk meneroka cara kerja dalaman pam udara molekul, kami terlebih dahulu mengeluarkan empat skru yang mengikat pemasangan atas K. Setelah dilonggarkan, pemasangan itu boleh diangkat dari rumah B—dan kami benar-benar terkejut. Tiada gasket antara pemasangan dan rumah, hanya tembaga pada tembaga dengan sedikit gris.

Rajah 4 menunjukkan kedua-dua bahagian bawah pemasangan atas yang dibalikkan K dan bahagian atas rumah B. Kami akan melihat dengan lebih dekat bahagian bawah K dalam Rajah 6. Di bahagian atas B, seseorang boleh melihat satu siri slot yang menghubungkan ke bahagian dalam B—dan seterusnya juga ke alur dalam rotor. Selain itu, penyapu lamella C dipasang di bahagian atas B, selari dengan paksi longitudinal pam. Lubang untuk skru pemasangan juga dapat dilihat dalam Rajah 4. Selepas mengeluarkan komponen E, F, G, dan H yang ditunjukkan dalam Rajah 3, kami dapat mengekstrak dan mengukur rotor A. Menurut pengukuran kami, ia mempunyai diameter 100,00 + 0,01 mm. Untuk menunjukkan interaksi antara sikat lamella dan rotor, kami memasukkan sikat—yang dikisar dari satu keping tembaga—ke dalam alur rotor. Ini dapat dilihat dengan lebih terperinci dalam Rajah 5.

Untuk mekanisme berfungsi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, ketepatan mekanikal yang halus dan kebolehulangan dalam ratusan milimeter adalah sangat penting. Leybold sudah mampu mencapai tahap ketepatan ini sejak tahun 1912.

Dengan Rajah 6, yang menunjukkan bahagian bawah pemasangan atas K dengan terperinci, kita mendekati "rahsia" mekanisme dalaman pam udara molekul. Menggunakan cecair pembersih logam, kami menjejak saluran dalaman.

Ini membolehkan kami mengikuti laluan kompleks gas antara sisi vakum tinggi (HV) dan sisi vakum awal (FV) dengan terperinci: Inlet di sisi vakum tinggi (penyambung HV S, atas kiri dalam Rajah. 6) disambungkan ke kedudukan 1 dalam Rajah 6. Dari situ, rotor mengangkut gas ke kedudukan 2 di sebelah kanan. Ini bermakna bahawa rotor—apabila dilihat dari sisi yang dilabel K (E. Leybold’s Nachfolger, Coeln and Berlin, German Imperial Patent)—harus berputar ke arah lawan jam.

Melalui saluran yang terlihat dipenuhi dengan solder lembut, gas bergerak dari 2 kanan ke 2 kiri, kemudian melalui rotor ke 3 kanan, melalui saluran di K ke 3 kiri, melalui rotor ke 6 kanan, melalui saluran di K ke 6 kiri, melalui rotor ke 4 kanan, melalui saluran di K ke 4 kiri, melalui rotor ke 7 kanan, melalui saluran di K ke 7 kiri, melalui rotor ke 5 kanan,melalui saluran di K ke 5 kiri, melalui rotor ke 8 kanan, dan akhirnya melalui saluran di K ke 8 kiri, dari mana ia mencapai alur annular (posisi FV) yang disambungkan ke pam vakum awal.

Maaf atas penjelasan yang panjang—tetapi setelah 113 tahun, ia perlu dicatat dan didokumentasikan. Oleh itu, kami dapat mengesahkan secara eksperimen kenyataan Wolfgang Gaede bahawa gas diekstrak dari pusat pam. Struktur tepat sistem saluran dalaman dalam K mungkin hanya dapat ditentukan secara tidak merosakkan menggunakan sinar-X. Penting untuk diperhatikan bahawa alur yang disambungkan ke pam vakum hadapan mengelilingi kawasan vakum tinggi dalaman dalam bentuk cincin.

Reka bentuk ini memastikan bahawa sebarang kebocoran udara dari persekitaran (1000 mbar) ke alur (0,1 mbar) dis拦 oleh pam vakum awal. Perbezaan tekanan antara alur annular dan kedudukan 1 biasanya adalah 10,000 kali lebih kecil daripada perbezaan tekanan antara atmosfera sekeliling dan alur tersebut. Oleh itu, kebocoran dari alur ke posisi 1 adalah jauh lebih kecil berbanding dari persekitaran ke dalam alur. Secara ringkas: Alur annular melindungi kawasan vakum tinggi daripada kebocoran udara yang datang dari atmosfera sekeliling.

Leybold boleh menganggap dirinya bertuah kerana dua pam udara molekul asal dipelihara dalam Arkib Gaede. Keadaan bertuah ini menginspirasi idea untuk memulihkan salah satu pam ke keadaan berfungsi. Ini telah berjaya dicapai—tetapi masih ada kerja yang perlu dilakukan untuk mengoptimumkan operasi pam sepenuhnya.

[1] Wolfgang Gaede Tesis Habilitasi: Geseran Luaran GasUniversiti Freiburg im Breisgau, 1912 [2] Komunikasi Awal mengenai Pam Vakum Tinggi Baru (Pam Udara Molekul) menurut Dr. GaedeE. Leybold’s Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912 [3] Senarai Harga Khas No. VI mengenai Pam Udara Molekul menurut Dr. GaedeE. Leybold’s Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912

Pengarang:

Guido Pfefferle

Prototyping dan Alat E-Mail: guido.pfefferle@leybold.com

www.leybold.com

Dr. Gerhard Voss

Arkib Gaede Cologne

E-Mel: gerhard.voss@external.atlascopco.com

www.gaedestiftung.org